本文編譯自題為“BioConvergence: How nature-inspired technology is transforming our world”的文章。向自然學(xué)習(xí)”，這并非是句空話(huà)。本文介紹了科學(xué)家如何借鑒大自然，在材料科學(xué)，信息技術(shù)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新。希望能為您帶來(lái)啟發(fā)。

大自然經(jīng)過(guò)45億年的演變與發(fā)展，獨(dú)創(chuàng)出一套生命法則。例如高大的紅杉樹(shù)，可以抵抗重力作用將水分營(yíng)養(yǎng)，輸送至100米高的樹(shù)頂。大自然便是如此發(fā)展出許多著名的規(guī)律法則，生命遵循各自的自然法則，適應(yīng)，繁衍。

多年以來(lái)，研究人員持之以恒地通過(guò)研究大自然，以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。比如一名瑞士科學(xué)家，有一次在阿爾卑斯山遠(yuǎn)足時(shí)，發(fā)現(xiàn)針尾草牢牢粘在他的衣物和寵物狗身上，后來(lái)他用了十年時(shí)間研究出了魔術(shù)貼，向世界證明：堅(jiān)持向大自然探索，也可以有所收獲。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，生物融合就是對(duì)自然界的研究，以及將自然作用于現(xiàn)象應(yīng)用于創(chuàng)新的實(shí)踐。從技術(shù)的角度，它是仿生生物學(xué)，物理學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的集合。該領(lǐng)域正創(chuàng)造出許多激動(dòng)人心，富有創(chuàng)造力的科技成果，例如新型材料與新制造技術(shù)，它們能高效地制造出更為耐用的產(chǎn)品。

研究人員正密切關(guān)注生物融合領(lǐng)域，希望為解決科學(xué)問(wèn)題尋找更加高效，多樣和獨(dú)創(chuàng)的方式。到2030年，全球人口預(yù)計(jì)將增至85億，其中10億人將晉身中產(chǎn)階段，對(duì)資源的需求愈發(fā)強(qiáng)烈。這些需求都與一個(gè)問(wèn)題緊密相連——可持續(xù)發(fā)展。對(duì)可持續(xù)發(fā)展的擔(dān)憂(yōu)迫使科學(xué)家要盡快尋找到新時(shí)代能源利用，資源消耗以及制品生產(chǎn)等問(wèn)題的方法。以下我們將介紹利用生物融合改造世界的例子。

仿生制造工藝

未來(lái)，資源消耗或許將趕不上需求增長(zhǎng)的速度，因此新的生產(chǎn)工藝，材料的理化特性，采用的科學(xué)原理，將是我們關(guān)注的重點(diǎn)。新的工藝鼓勵(lì)利用定制化，甚至個(gè)人化的材料制造不盡相同的產(chǎn)品。好比利用樹(shù)木的纖維素制成一根新的樹(shù)枝，樹(shù)枝因此獲得了柔韌性。顯然，它和同一棵樹(shù)上的其它樹(shù)枝不同。盡管來(lái)源都是同一棵樹(shù)，但根據(jù)不同的取材位置，它們的機(jī)械強(qiáng)度也會(huì)有所差異。

在未來(lái)，只需對(duì)材料“做加法”，進(jìn)行修飾，就能控制生產(chǎn)流程，減少污染物的排放。不必額外取材，移花接木，更不必刪繁就簡(jiǎn)，我們就可以為材料賦予所需的性質(zhì)。

仿生材料學(xué)

仿生材料是一類(lèi)模仿生物與天然材料的結(jié)構(gòu)，性質(zhì)與功能的合成材料。例如能模擬光合作用，吸收光能的光學(xué)材料；模擬貝母結(jié)構(gòu)的復(fù)合物；以及模仿水母運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。隨著3D打印技術(shù)的興起，科學(xué)家通過(guò)大自然獲取靈感對(duì)新材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而取代已有材料，開(kāi)發(fā)新的制造工藝。

美國(guó)國(guó)家學(xué)術(shù)出版社一篇名為《滿(mǎn)足21世紀(jì)國(guó)防需求而進(jìn)行的材料研究》的文章曾說(shuō)到，“生物有機(jī)體內(nèi)大量的小分子，微結(jié)構(gòu)與次級(jí)系統(tǒng)都具有令人矚目的材料特性，而這些都是現(xiàn)今非生物合成工藝所無(wú)法制造的。因此，有機(jī)體內(nèi)各級(jí)層次以及天然合成路線(xiàn)都能作為制造增強(qiáng)合成材料的基礎(chǔ)?！?/p>

科學(xué)家受鳥(niǎo)類(lèi)的骨骼啟發(fā)，合成出新的混凝土。他們發(fā)現(xiàn)鳥(niǎo)類(lèi)的骨骼具有中空結(jié)構(gòu)，但卻能支撐鳥(niǎo)身，具有良好的韌性。德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)利用3D打印技術(shù)，制備了一種輕質(zhì)的水泥管，其內(nèi)部支撐網(wǎng)絡(luò)與鳥(niǎo)類(lèi)骨骼結(jié)構(gòu)相似。以結(jié)構(gòu)效率和結(jié)構(gòu)體積為重點(diǎn)。以簡(jiǎn)約的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足生理需求，這就是設(shè)計(jì)仿生材料的基本理念。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)土木工程系主任Klaudius Henke表示，“這種材料借鑒了鳥(niǎo)類(lèi)輕薄卻穩(wěn)健的骨骼，由于傳統(tǒng)方式無(wú)法制造相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，因此3D打印技術(shù)的出現(xiàn)將顛覆這一領(lǐng)域。3D打印實(shí)現(xiàn)了材料造型多樣化，以及結(jié)構(gòu)類(lèi)型多元化，因?yàn)槊總€(gè)材料部件都可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，不需花費(fèi)額外成本。”

DNA存儲(chǔ)技術(shù)

除了材料領(lǐng)域，自然界還在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方面為研究者提供指引。部分科學(xué)家表示，全球數(shù)據(jù)使用量逐年呈指數(shù)性增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2040年，全球數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的需求就會(huì)超過(guò)閃存器件原材料硅的供應(yīng)量。

為此，科學(xué)家希望利用自然界最高效的存儲(chǔ)單元DNA（脫氧核糖核酸），來(lái)解決上述問(wèn)題。傳統(tǒng)的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器為二維結(jié)構(gòu)，而DNA由核苷酸組成，內(nèi)含磷酸鹽，脫氧核糖與含氮堿基，是一類(lèi)具有三維結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物，單位面積儲(chǔ)存的信息更多?？茖W(xué)家利用DNA數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)，僅1gDNA便可以?xún)?chǔ)存2.15億GB信息——這一數(shù)字相當(dāng)于全互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)總量。作為一種天然材料，DNA結(jié)構(gòu)緊密，在通風(fēng)陰涼處可以完好保存數(shù)十萬(wàn)年。

哥倫比亞大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家Yaniv Erlich說(shuō)：“DNA不存在過(guò)期的問(wèn)題，不會(huì)像卡式磁帶和CD那樣，隨時(shí)間推移而降解失效。”即使是埋藏超過(guò)70萬(wàn)年的骨頭碎片，它保存的DNA也能提供許多有用的信息，而且與閃存相比，DNA儲(chǔ)存消耗的能量?jī)H為前者的百萬(wàn)分之一。

滲透能發(fā)電

生長(zhǎng)在沿海地區(qū)的紅杉樹(shù)高達(dá)100米，從地底汲取水分與營(yíng)養(yǎng)素，通過(guò)其營(yíng)養(yǎng)輸送系統(tǒng)分布至全身?？茖W(xué)家受此啟發(fā)，通過(guò)滲透能的原理生產(chǎn)可再生能源。

在挪威的托夫特河，有一臺(tái)利用滲透能無(wú)碳發(fā)電的原型機(jī)。電力通過(guò)常見(jiàn)的咸淡水滲透現(xiàn)象而產(chǎn)生。能源公司Statkraft負(fù)責(zé)人Skilhagen表示，“全球?qū)G色能源的需求十分迫切，而滲透能就是很好的資源。咸淡水通過(guò)滲透產(chǎn)生電能，環(huán)?？稍偕?。”

Statkraft的發(fā)電廠從附近地區(qū)抽取咸淡水，分別注入兩個(gè)由滲透薄膜隔開(kāi)的水箱。此時(shí)淡水會(huì)向咸水滲透，咸水一側(cè)產(chǎn)生滲透能，發(fā)電輪機(jī)因而啟動(dòng)。滲透能每年可產(chǎn)生大約1700兆瓦時(shí)電量，這一數(shù)值是目前歐盟各國(guó)總耗電量的一半。

人腦AI

人工智能誕生之初，科學(xué)家曾預(yù)言未來(lái)計(jì)算機(jī)在處理指令時(shí)，能像人類(lèi)一樣進(jìn)行思考。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)便是受動(dòng)物大腦的神經(jīng)系統(tǒng)啟發(fā)而發(fā)明的。如今，研究人員對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加以改造，大膽地將人腦與計(jì)算機(jī)“合二為一”。位于美國(guó)加州的初創(chuàng)公司Koniku，正在研究將動(dòng)物神經(jīng)元加載到硅片上，研發(fā)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)芯片。

該企業(yè)創(chuàng)始人，尼日利亞神經(jīng)科學(xué)家，生物工程師Oshiorenoya Agabi曾說(shuō)過(guò)：“生物學(xué)是技術(shù)之靈。所有深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目的都是仿效大腦的思考模式?！盇gabi表示他的團(tuán)隊(duì)試圖研究如何向神經(jīng)元傳達(dá)指令完成具體的任務(wù)，如機(jī)場(chǎng)***探測(cè)。他們會(huì)將設(shè)備放置在機(jī)場(chǎng)周?chē)黄鹧鄣慕锹洌嘈拍芫徑馊粘C(jī)場(chǎng)安檢的壓力。

Koniku研制的設(shè)備能探測(cè)出揮發(fā)性物質(zhì)，因此還能應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，識(shí)別人體指標(biāo)分子的變化，“嗅出”疾病。它用一個(gè)碟狀裝置控制神經(jīng)元間的信息交流，內(nèi)置的電極可以讓使用者讀取儀器數(shù)據(jù)，甚至向神經(jīng)元寫(xiě)入新信息。

“未來(lái)將是合成生物學(xué)的世紀(jì)，今天的一切都是為此而做的鋪墊，而人腦AI將會(huì)成為機(jī)器人的設(shè)計(jì)方向?！盇gabi表示。

能量網(wǎng)格群邏輯

蜜蜂是大自然的一個(gè)奇跡。它們不需任何指令，僅憑在蜂巢的位置以及周?chē)鄯涞墓ぷ?，就能清楚自己的職?zé)。

智能能源管理公司Encycle借鑒蜜蜂內(nèi)部去中心化的群邏輯，提高能量網(wǎng)格效率。摒棄了過(guò)去中心化分配能量的模式，新裝置使用多個(gè)本地控制器，它們之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)電交流信息，對(duì)能量進(jìn)行合理調(diào)配。

企業(yè)還將其應(yīng)用擴(kuò)展到屋頂空調(diào)系統(tǒng)，恒溫器與建筑管理系統(tǒng)當(dāng)中。系統(tǒng)利用溫度傳感器控制空調(diào)開(kāi)關(guān)，從而節(jié)約能源，錯(cuò)峰用電。

保護(hù)以推動(dòng)創(chuàng)新

創(chuàng)新之路任重道遠(yuǎn)，而最偉大的創(chuàng)新者非大自然莫屬。在各個(gè)尺度上，存在于地球的數(shù)十億生命形式都能為我們的創(chuàng)新之路給予啟迪。

保護(hù)不應(yīng)該只停留在自然資源的層面上，還應(yīng)該對(duì)這個(gè)時(shí)代的創(chuàng)新的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行討論。自然界蘊(yùn)藏著生物進(jìn)化的奧秘，因此善待自然，我們的世界才會(huì)變得更好。